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Clausura de un conjunto respecto de una función

José A. Alonso, ,

Un conjunto A está cerrado respecto de una función f si para elemento x de A se tiene que f(x) pertenece a A. La clausura de un conjunto B respecto de una función f es el menor conjunto A que contiene a B y es cerrado respecto de f. Por ejemplo, la clausura de {0,1,2] respecto del opuesto es {-2,-1,0,1,2}.

Definir la función

   clausura :: Ord a => (a -> a) -> [a] -> [a]

tal que (clausura f xs) es la clausura de xs respecto de f. Por ejemplo,

   clausura (\x -> -x) [0,1,2]         ==  [-2,-1,0,1,2]
   clausura (\x -> (x+1) `mod` 5) [0]  ==  [0,1,2,3,4]
   length (clausura (\x -> (x+1) `mod` (10^6)) [0]) == 1000000

Soluciones

module Clausura where
 
import Data.List ((\\), nub, sort, union)
import Test.QuickCheck.HigherOrder (quickCheck')
import qualified Data.Set as S (Set, difference, fromList, map, null, toList, union)
 
-- 1ª solución
-- ===========
 
clausura1 :: Ord a => (a -> a) -> [a] -> [a]
clausura1 f xs
  | esCerrado f xs = sort xs
  | otherwise      = clausura1 f (expansion f xs)
 
-- (esCerrado f xs) se verifica si al aplicar f a cualquier elemento de
-- xs se obtiene un elemento de xs. Por ejemplo,
--    λ> esCerrado (\x -> -x) [0,1,2]
--    False
--    λ> esCerrado (\x -> -x) [0,1,2,-2,-1]
--    True
esCerrado :: Ord a => (a -> a) -> [a] -> Bool
esCerrado f xs = all (`elem` xs) (map f xs)
 
-- (expansion f xs) es la lista (sin repeticiones) obtenidas añadiéndole
-- a xs el resulta de aplicar f a sus elementos. Por ejemplo,
--    expansion (\x -> -x) [0,1,2]  ==  [0,1,2,-1,-2]
expansion :: Ord a => (a -> a) -> [a] -> [a]
expansion f xs = xs `union` map f xs
 
-- 2ª solución
-- ===========
 
clausura2 :: Ord a => (a -> a) -> [a] -> [a]
clausura2 f xs = sort (until (esCerrado f) (expansion f) xs)
 
-- 3ª solución
-- ===========
 
clausura3 :: Ord a => (a -> a) -> [a] -> [a]
clausura3 f xs = aux xs xs
  where aux ys vs | null ns   = sort vs
                  | otherwise = aux ns (vs ++ ns)
          where ns = nub (map f ys) \\ vs
 
-- 4ª solución
-- ===========
 
clausura4 :: Ord a => (a -> a) -> [a] -> [a]
clausura4 f xs = S.toList (clausura4' f (S.fromList xs))
 
clausura4' :: Ord a => (a -> a) -> S.Set a -> S.Set a
clausura4' f xs = aux xs xs
  where aux ys vs | S.null ns = vs
                  | otherwise = aux ns (vs `S.union` ns)
          where ns = S.map f ys `S.difference` vs
 
-- Comprobación de equivalencia
-- ============================
 
-- La propiedad es
prop_clausura :: (Int -> Int) -> [Int] -> Bool
prop_clausura f xs =
  all (== clausura1 f xs')
      [ clausura2 f xs'
      , clausura3 f xs'
      , clausura4 f xs'
      ]
  where xs' = sort (nub xs)
 
-- La comprobación es
--    λ> quickCheck' prop_clausura
--    +++ OK, passed 100 tests.
 
-- Comparación de eficiencia
-- =========================
 
-- La comparación es
--    λ> length (clausura1 (\x -> (x+1) `mod` 800) [0])
--    800
--    (1.95 secs, 213,481,560 bytes)
--    λ> length (clausura2 (\x -> (x+1) `mod` 800) [0])
--    800
--    (1.96 secs, 213,372,824 bytes)
--    λ> length (clausura3 (\x -> (x+1) `mod` 800) [0])
--    800
--    (0.03 secs, 42,055,128 bytes)
--    λ> length (clausura4 (\x -> (x+1) `mod` 800) [0])
--    800
--    (0.01 secs, 1,779,768 bytes)
--
--    λ> length (clausura3 (\x -> (x+1) `mod` (10^4)) [0])
--    10000
--    (2.50 secs, 8,080,105,816 bytes)
--    λ> length (clausura4 (\x -> (x+1) `mod` (10^4)) [0])
--    10000
--    (0.05 secs, 27,186,920 bytes)

El código se encuentra en GitHub.

La elaboración de las soluciones se describe en el siguiente vídeo

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El problema de las celebridades

José A. Alonso, ,

La celebridad de una reunión es una persona al que todos conocen pero que no conoce a nadie. Por ejemplo, si en la reunión hay tres personas tales que la 1 conoce a la 3 y la 2 conoce a la 1 y a la 3, entonces la celebridad de la reunión es la 3.

La relación de conocimiento se puede representar mediante una lista de pares (x,y) indicando que x conoce a y. Por ejemplo, la reunión anterior se puede representar por [(1,3),(2,1),(2,3)].

Definir la función

   celebridad :: Ord a => [(a,a)] -> Maybe a

tal que (celebridad r) es el justo la celebridad de r, si en r hay una celebridad y Nothing, en caso contrario. Por ejemplo,

   celebridad [(1,3),(2,1),(2,3)]            ==  Just 3
   celebridad [(1,3),(2,1),(3,2)]            ==  Nothing
   celebridad [(1,3),(2,1),(2,3),(3,1)]      ==  Nothing
   celebridad [(x,1) | x <- [2..10^6]]       ==  Just 1
   celebridad [(x,10^6) | x <- [1..10^6-1]]  ==  Just 1000000

Soluciones

import Data.List (delete, nub)
import Data.Maybe (listToMaybe)
import qualified Data.Set as S
 
-- 1ª solución
-- ===========
 
celebridad1 :: Ord a => [(a,a)] -> Maybe a
celebridad1 r =
  listToMaybe [x | x <- personas r, esCelebridad r x]
 
personas :: Ord a => [(a,a)] -> [a]
personas r =
  nub (map fst r ++ map snd r)
 
esCelebridad :: Ord a => [(a,a)] -> a -> Bool
esCelebridad r x =
     [y | y <- ys, (y,x) `elem` r] == ys
  && null [y | y <- ys, (x,y) `elem` r]
  where ys = delete x (personas r)
 
-- 2ª solución
-- ===========
 
celebridad2 :: Ord a => [(a,a)] -> Maybe a
celebridad2 r =
  listToMaybe [x | x <- personas2 c, esCelebridad2 c x]
  where c = S.fromList r
 
--    λ> personas2 (S.fromList [(1,3),(2,1),(2,3)])
--    [1,2,3]
personas2 :: Ord a => S.Set (a,a) -> [a]
personas2 c =
  S.toList (S.map fst c `S.union` S.map snd c)
 
esCelebridad2 :: Ord a => S.Set (a,a) -> a -> Bool
esCelebridad2 c x = 
      [y | y <- ys, (y,x) `S.member` c] == ys
   && null [y | y <- ys, (x,y) `S.member` c]
   where ys = delete x (personas2 c)
 
-- 3ª definición
-- =============
 
celebridad3 :: Ord a => [(a,a)] -> Maybe a
celebridad3 r
  | S.null candidatos = Nothing
  | esCelebridad      = Just candidato
  | otherwise         = Nothing
  where
    conjunto          = S.fromList r
    dominio           = S.map fst conjunto
    rango             = S.map snd conjunto
    total             = dominio `S.union` rango
    candidatos        = rango `S.difference` dominio
    candidato         = S.findMin candidatos
    noCandidatos      = S.delete candidato total
    esCelebridad      =
      S.filter (\x -> (x,candidato) `S.member` conjunto) total == noCandidatos
 
-- Comparación de eficiencia
-- =========================
 
--    λ> celebridad1 [(x,1) | x <- [2..300]]
--    Just 1
--    (2.70 secs, 38,763,888 bytes)
--    λ> celebridad2 [(x,1) | x <- [2..300]]
--    Just 1
--    (0.01 secs, 0 bytes)
-- 
--    λ> celebridad2 [(x,1000) | x <- [1..999]]
--    Just 1000
--    (2.23 secs, 483,704,224 bytes)
--    λ> celebridad3 [(x,1000) | x <- [1..999]]
--    Just 1000
--    (0.02 secs, 0 bytes)
-- 
--    λ> celebridad3 [(x,10^6) | x <- [1..10^6-1]]
--    Just 1000000
--    (9.56 secs, 1,572,841,088 bytes)
--    λ> celebridad3 [(x,1) | x <- [2..10^6]]
--    Just 1
--    (6.17 secs, 696,513,320 bytes)
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Grafo de divisibilidad

José A. Alonso, ,

El grafo de divisibilidad de orden n es el grafo cuyos nodos son los números naturales entre 1 y n, cuyas aristas son los pares (x,y) tales que x divide a y o y divide a x. El coste de cada arista es el cociente entre su mayor y menor elemento.

Definir las siguientes funciones:

   grafoDivisibilidad :: Int -> Grafo Int Int
   coste              :: Int -> Int

tales que

  • (grafoDivisibilidad n) es el grafo de divisibilidad de orden n. Por ejemplo, 
      λ> grafoDivisibilidad 12
      G ND (array (1,12)
                  [(1,[(2,2),(3,3),(4,4),(5,5),(6,6),(7,7),
                       (8,8),(9,9),(10,10),(11,11),(12,12)]),
                   (2,[(1,2),(4,2),(6,3),(8,4),(10,5),(12,6)]),
                   (3,[(1,3),(6,2),(9,3),(12,4)]),
                   (4,[(1,4),(2,2),(8,2),(12,3)]),
                   (5,[(1,5),(10,2)]),
                   (6,[(1,6),(2,3),(3,2),(12,2)]),
                   (7,[(1,7)]),
                   (8,[(1,8),(2,4),(4,2)]),
                   (9,[(1,9),(3,3)]),
                   (10,[(1,10),(2,5),(5,2)]),
                   (11,[(1,11)]),
                   (12,[(1,12),(2,6),(3,4),(4,3),(6,2)])])
  • (coste n) es el coste del árbol de expansión mínimo del grafo de divisibilidad de orden n. Por ejemplo,
      coste 12        ==  41
      coste 3000      ==  605305
      coste (2*10^5)  ==  1711798835

Soluciones

import Data.Ix
import Data.List (delete, sort)
import qualified Data.Set as S
import I1M.Grafo
import I1M.Tabla
import Data.Numbers.Primes (primeFactors)
 
grafoDivisibilidad :: Int -> Grafo Int Int
grafoDivisibilidad n =
  creaGrafo ND (1,n) [(x,y,y `div` x) | y <- [1..n]
                                      , x <- [1..y-1]
                                      , y `mod` x == 0]
 
-- 1ª solución (con el algoritmo de Kruskal)
-- =========================================
 
coste1 :: Int -> Int
coste1 n = sum [p | (p,x,y) <- kruskal (grafoDivisibilidad n)]
 
-- (kruskal g) es el árbol de expansión mínimo del grafo g calculado
-- mediante el algoritmo de Kruskal. Por ejemplo,
--    λ> kruskal (grafoDivisibilidad 12)
--    [(11,1,11),(7,1,7),(5,1,5),(3,3,9),(3,1,3),(2,6,12),(2,5,10),
--     (2,4,8),(2,3,6),(2,2,4),(2,1,2)]
kruskal :: (Ix v, Num p, Ord p) => Grafo v p -> [(p,v,v)]
kruskal g = kruskal' cola                           -- Cola ordenada
                     (tabla [(x,x) | x <- nodos g]) -- Tabla de raices
                     []                             -- Árbol de expansión
                     (length (nodos g) - 1)         -- Aristas por
                                                    -- colocar
    where cola = sort [(p,x,y) | (x,y,p) <- aristas g]
 
kruskal' ((p,x,y):as) t ae n 
  | n == 0      = ae
  | actualizado = kruskal' as t' ((p,x,y):ae) (n-1)
  | otherwise   = kruskal' as t  ae           n
  where (actualizado,t') = buscaActualiza (x,y) t
 
-- (raiz t n) es la raíz de n en la tabla t. Por ejemplo,
--    raiz (crea [(1,1),(3,1),(4,3),(5,4),(2,6),(6,6)]) 5  == 1
--    raiz (crea [(1,1),(3,1),(4,3),(5,4),(2,6),(6,6)]) 2  == 6
raiz:: Eq n => Tabla n n -> n -> n
raiz t x | v == x    = v
         | otherwise = raiz t v
         where v = valor t x
 
-- (buscaActualiza a t) es el par formado por False y la tabla t, si los
-- dos vértices de la arista a tienen la misma raíz en t y el par
-- formado por True y la tabla obtenida añadiéndole a t la arista
-- formada por el vértice de a de mayor raíz y la raíz del vértice de
-- a de menor raíz. Por ejemplo,
--    ghci> let t = crea [(1,1),(2,2),(3,1),(4,1)]
--    ghci> buscaActualiza (2,3) t
--    (True,Tbl [(1,1),(2,1),(3,1),(4,1)])
--    ghci> buscaActualiza (3,4) t
--    (False,Tbl [(1,1),(2,2),(3,1),(4,1)])
buscaActualiza :: (Eq n, Ord n) => (n,n) -> Tabla n n -> (Bool,Tabla n n)
buscaActualiza (x,y) t 
  | x' == y'  = (False, t) 
  | y' <  x'  = (True, modifica (x,y') t)
  | otherwise = (True, modifica (y,x') t)
  where x' = raiz t x 
        y' = raiz t y
 
-- 2ª solución (con el algoritmo de Prim)
-- ======================================
 
coste2 :: Int -> Int
coste2 n = sum [p | (p,x,y) <- prim (grafoDivisibilidad n)]
 
-- (prim g) es el árbol de expansión mínimo del grafo g calculado
-- mediante el algoritmo de Prim. Por ejemplo,
--    λ> prim (grafoDivisibilidad 12)
--    [(11,1,11),(7,1,7),(2,5,10),(5,1,5),(3,3,9),(2,6,12),(2,3,6),
--     (3,1,3),(2,4,8),(2,2,4),(2,1,2)]
prim :: (Ix v, Num p, Ord p) => Grafo v p -> [(p,v,v)]
prim g = prim' [n]              -- Nodos colocados
               ns               -- Nodos por colocar 
               []               -- Árbol de expansión
               (aristas g)      -- Aristas del grafo
         where (n:ns) = nodos g
 
prim' t [] ae as = ae
prim' t r  ae as = prim' (v':t) (delete v' r) (e:ae) as
  where e@(c,u', v') = minimum [(c,u,v)| (u,v,c) <- as,
                                         u `elem` t, 
                                         v `elem` r]
 
-- 3ª solución (con el algoritmo de Prim con conjuntos)
-- ====================================================
 
coste3 :: Int -> Int
coste3 n = sum [p | (p,x,y) <- prim2 (grafoDivisibilidad n)]
 
-- (prim2 g) es el árbol de expansión mínimo del grafo g calculado
-- mediante el algoritmo de Prim. Por ejemplo,
--    λ> prim2 (grafoDivisibilidad 12)
--    [(11,1,11),(7,1,7),(2,5,10),(5,1,5),(3,3,9),(2,6,12),(2,3,6),
--     (3,1,3),(2,4,8),(2,2,4),(2,1,2)]
prim2 :: (Ix v, Num p, Ord p) => Grafo v p -> [(p,v,v)]
prim2 g = prim2' (S.singleton n)  -- Nodos colocados
                 (S.fromList ns)  -- Nodos por colocar 
                 []               -- Árbol de expansión
                 (aristas g)      -- Aristas del grafo
  where (n:ns) = nodos g
 
prim2' t r ae as
  | S.null r  = ae
  | otherwise = prim2' (S.insert v' t)
                       (S.delete v' r)
                       (e:ae)
                       as
  where e@(c,u', v') = minimum [(c,u,v)| (u,v,c) <- as,
                                         S.member u t, 
                                         S.member v r]
 
-- 4ª solución
-- ===========
 
coste4 :: Int -> Int
coste4 n = sum [head (primeFactors x) | x <- [2..n]]
 
-- Comparación de eficiencia
-- =========================
 
--    λ> coste1 400
--    14923
--    (0.08 secs, 31,336,440 bytes)
--    λ> coste2 400
--    14923
--    (4.54 secs, 220,745,608 bytes)
--    λ> coste3 400
--    14923
--    (0.69 secs, 217,031,144 bytes)
--    λ> coste4 400
--    14923
--    (0.01 secs, 2,192,336 bytes)
--    
--    λ> coste1 2000
--    284105
--    (2.09 secs, 842,601,904 bytes)
--    λ> coste4 2000
--    284105
--    (0.02 secs, 14,586,888 bytes)
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Sumas de subconjuntos

José A. Alonso, ,

Definir la función

   sumasSubconjuntos :: Set Int -> Set Int

tal que (sumasSubconjuntos xs) es el conjunto de las sumas de cada uno de los subconjuntos de xs. Por ejemplo,

   λ> sumasSubconjuntos (fromList [3,2,5])
   fromList [0,2,3,5,7,8,10]
   λ> length (sumasSubconjuntos (fromList [-40,-39..40]))
   1641

Soluciones

import Data.List
import Data.Set ( Set
                , deleteFindMin
                , fromList
                , singleton
                , toList
                )
import qualified Data.Set as S
 
-- 1ª definición
-- =============
 
sumasSubconjuntos :: Set Int -> Set Int
sumasSubconjuntos xs =
  fromList (map sum (subsequences (toList xs))) 
 
-- 2ª definición
-- =============
 
sumasSubconjuntos2 :: Set Int -> Set Int
sumasSubconjuntos2 =
  fromList . sumasSubconjuntosL . toList  
 
sumasSubconjuntosL :: [Int] -> [Int]
sumasSubconjuntosL []     = [0]
sumasSubconjuntosL (x:xs) = ys `union` map (+x) ys
  where ys = sumasSubconjuntosL xs
 
-- 3ª solución
-- ===========
 
sumasSubconjuntos3 :: Set Int -> Set Int
sumasSubconjuntos3 xs
  | S.null xs = singleton 0
  | otherwise = zs `S.union` (S.map (+y) zs)
  where (y,ys) = deleteFindMin xs
        zs     = sumasSubconjuntos2 ys
 
-- Comparación de eficiencia
-- =========================
 
--    λ> length (sumasSubconjuntos (fromList [1..22]))
--    254
--    (4.17 secs, 4,574,495,128 bytes)
--    λ> length (sumasSubconjuntos2 (fromList [1..22]))
--    254
--    (0.03 secs, 5,583,200 bytes)
--    λ> length (sumasSubconjuntos3 (fromList [1..22]))
--    254
--    (0.03 secs, 5,461,064 bytes)
--
--    λ> length (sumasSubconjuntos2 (fromList [1..60]))
--    1831
--    (2.75 secs, 611,912,128 bytes)
--    λ> length (sumasSubconjuntos3 (fromList [1..60]))
--    1831
--    (2.81 secs, 610,476,992 bytes)
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El problema de las celebridades

José A. Alonso, ,

La celebridad de una reunión es una persona al que todos conocen pero que no conoce a nadie. Por ejemplo, si en la reunión hay tres personas tales que la 1 conoce a la 3 y la 2 conoce a la 1 y a la 3, entonces la celebridad de la reunión es la 3.

La relación de conocimiento se puede representar mediante una lista de pares (x,y) indicando que x conoce a y. Por ejemplo, ka reunioń anterior se puede representar por [(1,3),(2,1),(2,3)].

Definir la función

   celebridad :: Ord a => [(a,a)] -> Maybe a

tal que (celebridad r) es el justo la celebridad de r, si en r hay una celebridad y Nothing, en caso contrario. Por ejemplo,

   celebridad [(1,3),(2,1),(2,3)]            ==  Just 3
   celebridad [(1,3),(2,1),(3,2)]            ==  Nothing
   celebridad [(1,3),(2,1),(2,3),(3,1)]      ==  Nothing
   celebridad [(x,1) | x < - [2..10^6]]       ==  Just 1
   celebridad [(x,10^6) | x <- [1..10^6-1]]  ==  Just 1000000

Soluciones

import Data.List (delete, nub)
import Data.Maybe (listToMaybe)
import qualified Data.Set as S
 
-- 1ª solución
-- ===========
 
celebridad1 :: Ord a => [(a,a)] -> Maybe a
celebridad1 r =
  listToMaybe [x | x <- personas r, esCelebridad r x]
 
personas :: Ord a => [(a,a)] -> [a]
personas r =
  nub (map fst r ++ map snd r)
 
esCelebridad :: Ord a => [(a,a)] -> a -> Bool
esCelebridad r x =
     [y | y <- ys, (y,x) `elem` r] == ys
  && null [y | y <- ys, (x,y) `elem` r]
  where ys = delete x (personas r)
 
-- 2ª solución
-- ===========
 
celebridad2 :: Ord a => [(a,a)] -> Maybe a
celebridad2 r =
  listToMaybe [x | x <- personas2 c, esCelebridad2 c x]
  where c = S.fromList r
 
--    λ> personas2 (S.fromList [(1,3),(2,1),(2,3)])
--    [1,2,3]
personas2 :: Ord a => S.Set (a,a) -> [a]
personas2 c =
  S.toList (S.map fst c `S.union` S.map snd c)
 
esCelebridad2 :: Ord a => S.Set (a,a) -> a -> Bool
esCelebridad2 c x = 
      [y | y <- ys, (y,x) `S.member` c] == ys
   && null [y | y <- ys, (x,y) `S.member` c]
   where ys = delete x (personas2 c)
 
-- 3ª definición
-- =============
 
celebridad3 :: Ord a => [(a,a)] -> Maybe a
celebridad3 r
  | S.null candidatos = Nothing
  | esCelebridad      = Just candidato
  | otherwise         = Nothing
  where
    conjunto          = S.fromList r
    dominio           = S.map fst conjunto
    rango             = S.map snd conjunto
    total             = dominio `S.union` rango
    candidatos        = rango `S.difference` dominio
    candidato         = S.findMin candidatos
    noCandidatos      = S.delete candidato total
    esCelebridad      =
      S.filter (\x -> (x,candidato) `S.member` conjunto) total == noCandidatos
 
-- Comparación de eficiencia
-- =========================
 
--    λ> celebridad1 [(x,1) | x <- [2..300]]
--    Just 1
--    (2.70 secs, 38,763,888 bytes)
--    λ> celebridad2 [(x,1) | x <- [2..300]]
--    Just 1
--    (0.01 secs, 0 bytes)
-- 
--    λ> celebridad2 [(x,1000) | x <- [1..999]]
--    Just 1000
--    (2.23 secs, 483,704,224 bytes)
--    λ> celebridad3 [(x,1000) | x <- [1..999]]
--    Just 1000
--    (0.02 secs, 0 bytes)
-- 
--    λ> celebridad3 [(x,10^6) | x <- [1..10^6-1]]
--    Just 1000000
--    (9.56 secs, 1,572,841,088 bytes)
--    λ> celebridad3 [(x,1) | x <- [2..10^6]]
--    Just 1
--    (6.17 secs, 696,513,320 bytes)
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